שיער עוזר לשמור עלינו קרירים במזג אוויר חם, מחקר אינפרא אדום מגלה - עולם הפיזיקה

שיער מקרר את הראש במזג אוויר חם, תוך שמירה על חום הקרקפת בקור - על פי מחקר חדש על האופן שבו שיער אדם יוצר אינטראקציה עם קרינת אינפרא אדום. המחקר נעשה על ידי מדענים מדרום קוריאה, שמקווים שעבודתם יהווה השראה לפיתוח טקסטיל חדש עם תכונות קרינה מיטובות.

למרות שהוא מהווה רק 2% מהמסה של אדם טיפוסי, הראש צורך כ-20% מהאנרגיה הנשרפת על ידי חילוף החומרים בגוף. טמפרטורת העור של הראש יכולה להיות מעל 2 מעלות צלזיוס חמה יותר מאשר במקומות אחרים בגוף, לכן ניהול תרמי טוב הוא חיוני - במיוחד כאשר השמש קופחת על הקרקפת.

שיער הוא התאמה אבולוציונית להגנה על הראש הן מפני קרינת השמש המזיקה והן מפני קור. במבט ראשון אולי נראה שהמחיר של הגנה זו מהווה גבול ליכולת הגוף לשמור על הראש קריר בימים חמים על ידי הקרנת חום מהקרקפת.

תכונות קרינה

אולם כעת, מדען החומרים Gunwoo Kim ועמיתיו ב- מכון קוריאה לטכנולוגיה תעשייתית ב-Yeongcheon ערערו את ההשקפה הזו על ידי חקירת תכונות הקרינה של שיער. לצד השגת תובנות לגבי תכונות האינפרא אדום של השיער, הצוות גם חקר כיצד הם משפיעים על החימום והקירור של הקרקפת בטמפרטורות סביבה שונות.

שיער מורכב משלוש שכבות רדיאליות מהן השכבה האמצעית (קליפת המוח) היא ללא ספק העבה ביותר. קליפת המוח מורכבת מצרורות שזורים בעיקר מהחלבון קרטין וכיסי אוויר המעניקים לשיער את התכונות המכניות שלו כמו חוזקו. השכבה החיצונית נקראת קוטיקולה, הכוללת שכבות מרובות של תאים דקים ושטוחים החופפים כמו רעפים.

הבולם העיקרי של קרינת השמש בשיער (ובעור) הוא הפיגמנט מלנין. זהו פולימר של חומצת אמינו אורגנית עם טבעות הקולטות ספקטרום רחב של קרינה בין האינפרא אדום הקרוב לאולטרה סגול.

דגמי שיער

הקבוצה של קים חקרה כיצד התכונות הפיזיקליות והכימיות של השיער משתלבות כדי להשפיע על כושר הספיגה שלו (שזה אותו דבר הוא הפליטה שלו לפי חוק הקרינה התרמית של קירשוף), רפלקטיביות ותמסורת באורכי גל שונים. זה נעשה באמצעות מודלים מתמטיים ועל ידי ביצוע ניסויים על שיער שחור (העשיר במלנין) שהתקבל מסלון מקומי.

הם גילו כי דגימות השיער ספגו כ-80% מהאור הנכנס באורך גל אינפרא אדום של 1 מיקרומטר, שהוא אורך הגל המקסימלי בעוצמת השמש. הצוות גם חקר דגימות שיער שבהן המלנין הוסר על ידי הלבנה. בדגימות אלו, הספיגה הייתה בסביבות 40%. הצוות חזר על המדידות שלו עבור אור אינפרא אדום ב-10 מיקרומטר, שאינו מרכיב משמעותי באור השמש. לאחר הלבנת מלנין הם גילו שהספיגה (והפליטה) באורך גל זה נשארה סביב 90%. הסיבה לכך היא שקליטת הקרינה באורך גל זה נובעת במידה רבה מקשרים כימיים במולקולות שאינן מלנין - מולקולות כגון קרטין.

לאחר מכן, החוקרים השרו את השערות במים. הם מצאו ששיעור הקרינה באורך גל השמש שנספגה ירד באופן משמעותי, בעוד ששיעור הקרינה שנספגה ב-10 מיקרומטר לא הושפע יחסית.

פיזור נקבוביות

"לשיער אנושי יש נקבוביות שגודלן כמעט 1 מיקרומטר", אומר קים, "הנקבוביות האלה מאוד ספציפיות לפיזור באזור הקרוב לאינפרא אדום... כדי לחסום לחלוטין את קרינת השמש אנחנו צריכים אורך שיער גדול: אבל אם אנחנו מפזרים את הקרינה פנימה את החומר אנחנו יכולים לחסום לחלוטין את הקרינה מבלי להזדקק לנפח כזה של חומר."

מילוי הנקבוביות והקצוות במים מנע את השינויים הפתאומיים במקדם השבירה ובכך הפחית את הפיזור הדרוש להגדלת אורך הנתיב של קרינה קרובה לאינפרא אדום בשיער. עם זאת, באורכי גל ארוכים יותר שסביר שיפלטו על ידי גוף האדם כחום, הגלים לא התפזרו אלא נקלטו ונפלטו מחדש. הצוות בחר לחקור קרינה של 10 מיקרומטר מכיוון שהיא נמצאת במרכזו של "חלון שקיפות" אטמוספרי. "אנחנו קוראים לתופעה הזו קירור קרינתי כי אנחנו יכולים לפלוט את הקרינה הזו בקלות לחלל", אומר קים.

פרוות דוב הקוטב מהווה השראה לטקסטיל שמש-תרמי

לאחר מכן ערכו החוקרים ניסויי שדה. הם גילו שביום קר, דגימה של עור סינטטי מכוסה שיער בסופו של דבר הייתה חמה יותר מהעור החשוף. עם זאת, ביום חמים, עור סינטטי מכוסה שיער נשאר קריר יותר. החוקרים מחפשים כעת לפתח טקסטיל בהשראת ביו המבוססת על העקרונות המפורטים ב מאמר המתאר את המחקר in ההליכים של האקדמיה הלאומית למדעים.

לואיס רואיז פסטנה הוא מומחה בדוגמנות של חומרים בננו באוניברסיטת מיאמי בארה"ב. הוא אמר עולם הפיזיקה  שהתוצאות הללו הן מרשימות ותמוהות.

"הדבר הייחודי באמת הוא לא שאתה סופג אור UV, אבל נראה שהשיער הזה ממש טוב בלפלוט באינפרא אדום", הוא אומר; "אז בעצם אתה מקבל את אור ה-UV הזה, אתה סופג אותו ומשחרר אותו בספקטרום האינפרא אדום."

עם זאת, הוא נבוך מהתנהגות הטמפרטורה הקרה, שעליה מספקים החוקרים נתונים אך מעט הסבר: "לא הבנתי בכלל [איך] הארכיטקטורה של השיער מאפשרת לאינפרא אדום להישאר כלוא בין העור לאטמוספירה." הוא אומר "אז החלק הראשון מאוד ברור, החלק השני לא כל כך ברור."

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/hair-helps-keep-us-cool-in-hot-weather-infrared-study-reveals/